|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) Разработка и изготовление промышленных роботов и создание на их основе гибких автоматизированных производственных систем являются важными условиями ускорения научно-технического прогресса в народном хозяйстве нашей страны. Применение роботов обеспечивает значительное повышение производительности труда, снижение себестоимости выпускаемой продукции и увеличение коэффициента смеииости оборудования. Но основное достоинство их использования заключается в заманчивых перспективах внедрения в промышленность и сельское хозяйство принципиально новых технологических процессов, не зависящих от ограничений, налагаемых непосредственным участием человека.
Выпускаемые в нашей стране роботы предназначены для использования главным образом в технологических комплексах машиностроения, механизации погрузочно-разгрузочных и транспортно-складских работ. Однако, как показывает зарубежный опыт, роботы могут применяться также при решении задач полной автоматизации производственных операций в металлургии, горнодобывающей и нефтеперерабатывающих отраслях промышленности, при разработке подводных месторождений пЬлезных ископаемых и т. д.
Авторы предлагаемой книги поставили цель обобщить достигнутый опыт создания роботов за рубежом и рассмотреть основные направления их технического оснащения. Отметим, что это отнюдь не просто, так как в настоящее время в мире производством промышленных роботов занято более 150 фирм, выпускающих свыше 250 типов роботов0. К сожалению, книги на данную тему немногочисленны. Из отечественных изданий можно назвать книгу «Устройство промышленных роботов» Е. И. Юревича и др. (Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1980 — 333 с.), которая посвящена устройству современных промышленных роботов и их компонентов.
В предлагаемой книге рассматриваются принципы действия и конструкции многих зарубежных роботов. Описаны конкретные примеры устройств схватов, сборочных механизмов, пневмо-, гидро-, электроприводов и т. д. Много внимания уделяется обзору двигателей, получивших распространение в робототехнике, и тенденциям в их разработке и применении. Интересны приводимые при обсуждении двигателей постоянного тока характеристики магнитов, сделанных из различных материалов, методы расчета нагрева ротора и схемы включения питания обмоток якоря. Много места в книге отводится конструкциям и режимам работы шаговых электродвигателей, а также пневмо- и гидродвигателей различных типов. При изложении материалов широко используются данные западноевропейских и японских фирм. Особенно интересна гл. 6, посвященная механическим передачам и иллюстрированная большим числом чертежей, схем н изображений различных конструкций зарубежных манипуляторов.
ч См , например, Робототехника. Под ред. Попова. — М.: Машиностроение, 1984.
Книга предназначена для инженеров, занимающихся созданием роботов, аспирантов и студентов, специализирующихся в области робототехники. Она может быть полезна также инженерам, работающим в смежных отраслях промышленности и сельского хозяйства.
Перевод выполнен Д. М. Далечиной (гл. 1 — 4), В. И. Чебурковым (гл. 5 — 7), М. С. Фанченко (гл. 7 — 9).
А. М. Долгов
Воспользовавшись правом, любезно предоставленным мне авторами, я с большим удовольствием ознакомился с содержанием книги, в которой изложены многие важные проблемы современной робототехники. В настоящее время имеется большое число публикаций по роботам, их применениям, интеллектуальным возможностям и искусственным чувствам. Однако конструкциям роботов и устройствам управления нми до сих пор уделялось мало внимания. Цель авторов книги состояла в том, чтобы восполнить этот пробел в литературе о роботах, о которых писатель Азимов мог мечтать лишь в своих фантастических рассказах. Читатель легко убедится, что авторам удалось успешно осуществить свой замысел. В книге подробно проанализированы различные конструкции роботов и условия их применения, что поможет разработчикам робототехнических систем ускорить процесс создания будущего производства, в котором робототехника будет играть основную роль.
Обратим внимание на то, что робототехника не ограничивается изучением только роботов, а включает и создание целого ряда новейших систем, основанных на современной технологии. Поэтому крайне важно быть в курсе всех достижений в данной области, чтобы иметь возможность оценить достоинства н недостатки существующих систем, не прибегая к глобальным исследованиям.
Авторами изложен большой экспериментальный материал, накопленный в промышленности, с привлечением новейших данных и его теоретическим обобщением, что облегчает чтение книги.
Подобный труд свидетельствует о глубоких знаниях затронутых проблем, приобретенных авторами при активном участии в создании робототехнических систем в рамках раздела «Механика и технология» национальной программы «Развитие автоматики и робототехники». Большую роль в создании книги сыграли исследования в области механики, проводимые в департаменте Франш-Конте. Книга отражает также опыт преподавания авторов в Безансои-ском университете на отделении механики и микротехники. Можно только позавидовать студентам этого университета, которые выбрали новую во Франции специальность «Автоматизация и робототехника» и которым посчастливилось прослушать курс лекций по данному предмету, прочитанному авторами книги.
В заключение отметим, что книга может рассматриваться как малая энциклопедия по робототехнике.
Морис Петито, Генеральный директор фирмы SORMEL и JAS . INDUSTRIE (группа MATRA) Безансон, 31 марта 1983 г.
Книга посвящена исследованию конструкций роботов, которые рассматриваются как машины для осуществления сложных действий с учетом влияния внешней среды. Основные проблемы, возникающие в робототехнике, связаны с обработкой внешней информации и управлением движением манипулятора. Однако робот отличается от вычислительной машины. Он представляет собой все-таки машину, способную выполнять различные механические (захват, перемещение, ориентация) или физические (сварка, склепка, зачистка) операции при неполностью известных данных о рабочей среде. Эта машина обладает архитектурой (габаритами, массой, структурой, занимаемым пространством) и рабочими характеристиками (мощностью, скоростью, точностью, надежностью) .
Книга предназначена в основном для специалистов, которые конструируют, изготовляют и эксплуатируют робототехнические системы. Поэтому в ней описываются основные устройства и освещаются некоторые специальные проблемы, связанные с функционированием роботов. Авторы не претендуют на полноту изложения материала, так как в робототехнике используются знания из самых разных областей науки и техники. Однако мы надеемся, что книга будет полезной при решении ряда проблем конструирования манипуляторов и технических средств приведения их в движение, связанных с применением систем автоматического регулирования.
Конструкция робота. Общие положения
1.1. СТРУКТУРА
Под рабочим местом в промышленности подразумевается среда, в которой производятся действия и которая состоит из различных предметов: подвижных или неподвижных, жестких или деформируемых, свободных или связанных между собой. Это приходится учитывать при решении различных задач, каждая из которых состоит из совокупности непрерывных или прерывистых действий, выполняемых для получения требуемого изменения среды.
В широком понимании робот может быть определен как техническая система, способная замещать человека или помогать ему в выполнении различных задач. При определении робота приходится прибегать к следующим понятиям (рис. 1.1): 1) рабочая среда; 2) источник энергии, необходимый для обеспечения функционирования робота; 3) источник информации для описания поставленной человеком-оператором задачи.
Необходимо иметь в виду, что робот выполняет две функции, реализуемые различными устройствами (рис. 1.2): информационными и исполнительными.
Информационные устройства вырабатывают команды в зависимости от результатов обработки поступающей информации трех видов: цели выполняемой задачи, измерений текущего состояния исполнительного устройства и наблюдений над рабочей средой, находящейся в непосредственной близости или на расстоянии от робота.
Конструкции этих устройств не рассматриваются в данной книге. Все внимание в ней уделено исполнительным устройствам.
Исполнительные устройства воздействуют на рабочую среду в соответствии с командами путем преобразования и расходования получаемой извне энергии. Они состоят из следующих конструктивных элементов, которые подробно проанализированы в данной книге: органов взаимодействия с рабочей средой,
органов манипулятора (звенья, сочленения), модуляторов энергии (усилители, распределители), преобразователей энергии (двигатели, силовые установки и т. д.), датчиков.
Рис. 1.1. Робот, рабочая среда и источник энергии и информации.
Рис. 1.2. Принципиальная схема процесса принятия решений и выполнения
действий роботом.
1.2. О ВОЗМОЖНОСТЯХ РОБОТА
Во многих работах по робототехнике встречается понятие^ об универсальном роботе — искусственной машине, способной совершать любую работу вместо человека. Поэтому многие разработчики стремятся придать роботам антропоморфные
черты, что приводит в ряде случаев к чрезвычайно громоздким конструкциям. Этот абстрактный подход имеет смысл только в фундаментальных исследованиях, но совершенно непригоден при разработке промышленных роботов. В действительности же робот должен предназначаться для осуществления конкретных целей, т. е. для решения определенного ряда задач в среде заданного типа.
1.2.1 Задачи
Неподвижный робот может выполнять следующие основные операции:
Погрузочно-разгрузочные (перемещение предметов и их размещение) .
Изменение облика предметов:
нанесение вещества на предмет (окраска, порошковое напыление и т. д.);
снятие вещества с предмета (механическая обработка, сверление, шлифование, полирование и т.д.);
изменение формы предмета (ковка, штамповка и т.д.).
Монтаж (сборка нескольких предметов для получения одного целого изделия).
Демонтаж (операция, обратная монтажу — разборка изделия на составные части).
Фиксация: сборка предметов с окончательным их соединением (склейка, сварка, кленка и т.д.).
Измерения: получение количественной информации о некоторых физических характеристиках объекта.
Некоторые задачи, например установка или сборка изделий» состоят из многих перечисленных выше операций. Другие задачи предполагают мобильность робота, т. е. возможность действовать в пространстве, намного превышающем его размеры:
Сопровождение (транспортировка предметов между складскими помещениями или между рабочими местами, находящимися на большом расстоянии).
Обследование (перемещение органов восприятия, позволяющее передавать на расстояние информацию о среде, в которой находится робот).
Сбор, захват и перенос предметов, находящихся в различных местах.
Воздействия на отдаленные предметы при их осмотре.
1.2.2. Рабочая среда
Выполнение роботом операций зависит не только от типа его действий, но и состояния рабочей среды:
Ограничений, накладываемых характером обтекания жидкости или газа.
Вида работы над объектами.
Сначала определим основные виды работ, которые должен выполнять робот:
Ф Изготовление предметов (в металлообрабатывающей, автомобильной, текстильной промышленности).
Ф Строительные работы (сооружение зданий, путепроводов, судов).
Добыча и переработка сырья (шахты, карьеры, цементные заводы).
Сельскохозяйственные и лесные работы.
Работы, опасные для жизни человека (на больших глубинах в морях и океанах, в космическом пространстве, в зонах земной поверхности, загрязненных вредными веществами, в особо опасных производствах).
Работа в медицинских учреждениях (в больницах, в биологических лабораториях и т.д.).
Затем следует определить основные характеристики предметов, с которыми робот взаимодействует. К ним можно отнести: форму, объем, массу, температуру, габариты, состояние поверхности, внутреннюю структуру, изменяемость размеров, ограничение движений, связанное с возможностью повреждения предмета, и т. д.
Поэтому длинному перечню видно, что невозможно полностью предсказать поведение роботов в процессе их эксплуатации. При этом необходимо учитывать различные задачи и условия работы робота, чтобы предвидеть изменение программы решений в соответствии со сложившейся ситуацией.
1.3. КОНСТРУКЦИЯ РОБОТА
Возможности робота в значительной степени определяются взаимодействием его рабочего органа с внешней средой. Рабочий орган играет основную роль, так как воздействует на внешние предметы и поэтому определяет основные требования ко всем остальным конструктивным элементам робота.
1.3.1. Рабочие органы
Ими могут быть разнообразные инструменты: клещи, присоски (захват), сопла, горелка (в дуговой сварке) и т.д. Употребляемые термины часто противоречивы, а иногда антропоморфны (руки или головки). При конструировании рабочего органа все операции тщательно анализируются. Не вдаваясь в подробности, которые будут рассмотрены в дальнейшем, отметим, что рабочий орган обладает следующими свойствами:
является сложной системой, которую редко можно представить в виде единого не поддающегося деформации элемента;
относится к типу приспособлений, состоящих из нескольких приводов;
часто содержит чувствительные датчики, позволяющие обеспечить его адаптацию к конкретным условиям задачи.
Следует отметить, что наряду с монофункциональными схватами иногда встречаются мультифункциональные (двойные клещи, четырехоперационные головки и т.д.).
1.3.2. Звенья
При решении производственных задач рабочий орган используется для выполнения заданных движений. Звенья манипулятора образуют механическую систему с изменяемой геометрией, связанную с корпусом робота и позволяющую при помощи движений ограниченной амплитуды перемещать и ориентировать рабочий орган. Движения звеньев манипулятора производятся относительно неподвижной платформы робота. Робот на подвижной платформе представляет собой свободную механическую систему, способную неограниченно перемещаться (автотележка, подводный робот и т. д.).
1.3.3. Манипуляторы
Манипулятором называется механическая система, состоящая из звеньев и рабочего органа. Например, существуют манипуляторы для выполнения погрузочно-разгрузочных ра-
Рис. 1.3. Схема робота на неподвижном основании (одноманипуляторного).
бот, сварки, шлифовки и т.д. Промышленный робот может состоять из нескольких манипуляторов, расположенных на одной платформе и управляемых с помощью одной вычислительной машины. Если платформа неподвижна, робот не перемещается
(рис. 1.3), а если робот установлен на тележке, он становится мобильным (рис. 1.4).
Примечание. Промышленные роботы бывают с одним манипулятором и с несколькими («многорукий робот») (рис. 1.5).
Рис. 1.4. Схема мобильного робота (одноманипуляторного).
Рис. 1.5. Схема трехманипуляторного робота на неподвижном основании.
1.4. УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ
До сих пор рассматривалась структура звеньев и рабочих органов манипулятора, определяющих внешний вид робота. Теперь перейдем к источникам энергии, обеспечивающим его работу. Помимо энергии, расходуемой на выполнение операций, например сварки, необходимо затрачивать дополнительную энергию на перемещение звеньев. Для приведения в движение звеньев манипулятора требуется обеспечить (рис. 1.6): распределение первичной энергии (обычно электрической, пневматической, гидравлической);
превращение первичной энергии в механическую;
передачу механической энергии звеньям;
управление движением (по положению, скорости, усилию, ускорению и т.д.).
Рис. 1.6. Принципиальная схема управления движением звена манипулятора.
1.4.1. Непосредственное управление движением
Управление движением проще всего производить с помощью приводов, каждый из которых непосредственно связан с осью соответствующего сочленения. Однако такое решение применяется довольно редко по следующим причинам:
многие преобразователи механической энергии по своей конструкции сообщают высокие скорости исполнительным органам, но создают малые усилия, что требует применения редукторов;
механизм привода с редуктором имеет большие габариты, что препятствует выполнению задания (в особенности если привод размещается вблизи рабочего органа);
каждый привод имеет массу и моменты инерции, которые увеличивают массу и моменты инерции звеньев и всей системы. Эти дополнительные нагрузки необходимо учитывать при выборе приводов, расположенных на звеньях, так как они существенно увеличивают общую массу.
1.4.2. Централизованное управление движением
В отличие от изложенного выше решения можно перенести все преобразующие устройства на платформу робота и передавать движения сочленениям при помощи соответствующих кинематических цепей. Очевидно этот способ приводит к утяжелению платформы и звеньев, особенно когда приходится обеспечивать их высокую прочность. Кроме того, приходится учитывать следующее:
передача движения через многие сочленения усложняется в механической системе с изменяемой геометрией;
трение в механических передачах приводит к потере энергии и в особенности к снижению точности (вследствие влияния, с одной стороны, перемены усилий и, с другой — люфта, вызванного износом шестерен);
упругость некоторых элементов может приводить к возникновению ударов и вибраций.
1.4.3. Смешанное управление движением
Кроме названных выше двух типов конструкций могут существовать промежуточные варианты, в которых найдены лучшие компромиссные решения для преобразования энергии, учитывающие технические требования на решаемые задачи. Тем не менее часто масса звеньев оказывается больше массы полезной нагрузки в 10 — 100 раз (и даже больше), что требует рационального подхода при конструировании. На решение большое влияние оказывает физическая природа первичной энергии, хотя в ряде случаев этим влиянием можно пренебречь. Не приводя здесь сравнительные оценки, можно указать, что гидравлический привод более выгоден, так как обладает мощностью на единицу массы двигателя в 10 раз большей, чем аналогичный электрический двигатель, что сильно влияет на конструкцию робота.
1.5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Большой интерес представляет возможность изложения рациональной методики определения оптимальных типов исполнительных приводов для решения различных задач, выполняемых роботами с соответствующей технологической проработкой. Однако наука о роботах слишком молода и пока не поддается формализации. Поэтому развитие роботов происходит различными путями.
В этой книге основное внимание уделено не описанию существующих конструкций, а общим принципам их действия и тенденциям в использовании, что поможет разработчику роботов сделать правильный выбор.
Вначале изучены конструкции рук манипуляторов, которые соединяются с рабочим органом робота.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автоматизированный монтаж с помощью робота 324 Адиабатический процесс 164 Активное уравновешивание с помощью силового цилиндра 342 — самокорректирующееся устройство 334 Амортизатор 168
Бесколлекторные двигатели 156 Биполярное питание 92 Биполярные транзисторы 101 Бифилярные двигатели 139 с магнитом 139
Быстроходные передачи 237
Вакуумная присоска 313 Ведомая система 294 Ведущая система 294 Вертикальная кисть ACMA-RENAULT 226, 227 Вибрации 343 Винтовые механизмы 234 Возбуждение с опережением 145, 156 Вращательное сочленение 20
Гидравлические зажимы 321
— потенциометры 193
— системы автоматического регулирования 283 Гидродвигатели 337 Гидромеханические следящие системы управления 200 — 204 Гидромоторы для вращательного движения 181 — 183 Гидроприводы, характеристики 184 Гидростатический подшипник 50 Гидроцилиндр 51
— двустороннего действия 175, 176
— дифференциальный 176
— для углового перемещения 178
— плунжерный 177
— поворотный 179
— с преобразованием поступатель-
ного движения 178
Датчики положения 297
емкостные 304
индуктивные 299
потенциометрические 296
— — оптоэлектронные 305
— усилий 297
— счета приращений 305 Двигатели постоянного тока 57 — дисковые 85
— тороидальные 90
— с полым ротором 87 Движение с управлением по положению 268
— — усилию 269
Двухосевая кисть робота с клещами 212, 213
Двухпозиционные двигатели 193 Двухфазный синхронный двигатель 151 — 153 Демпфирующая обмотка 135
Жесткость звеньев 140
Зажимы двустороннего действия 315
— одностороннего действия 313
— многостороннего действия 317 Звенья 13
Зубчатые зацепления 220
— — виды 221
— передаточные механизмы 217 ----------кинематические соотношения 218, 219
Избыточность связей 259 Изотермический процесс 163 Импульсное управление 269 Импульсные схемы питания 95 Индуксины 304
Индуктивные потенциометры 300 :
Интегрированные механизмы 251
— элементы 196 ; гидроцилиндр — распределитель 197
следящий клапан — гидроцилиндр 200
Информационные устройства 9 Исполнительные органы для сборочных операций 322 робота 307
— устройства 9
Кинематическая схема робота MEL-KONG 245 Кисть с пересекающимися осями 32
— UNIMATE 4000 226, 228, 229 Кодирующие устройства 305 Контурное управление 285 Копирующий механизм 248 Кривая намагничивания 62
Ламинарное течение 162 Линейный контакт 44
Магнитные присоски 315 Магниты альнико 61 Манипулятор 61, 18 Манипулятор-подъемник ANDRO-МАТ 244 Машины синхронной связи 299 Мертвый ход 214
Метод электрического демпфирования 135 Механизмы перемещения 134
— с замкнутой цепью 25, 35
— — открытой цепью 21 Механические зажимы 319
— системы передачи движения 210 —
216
Многосторонний схват 320 Мобильность робота 11 Моделирование 27 Модуль сжимаемости 165 Монтаж 324
— с управлением по замкнутому циклу 327 ------------ разомкнутому циклу 325
Неориентированный граф 27 Неподвижный робот 11 Непосредственное управление движением 15 Нормальные сочленения 20
Оптимальное управление 270
Пантограф 37, 242
Пассивное уравновешивание пружинами 840
Передаточная функция двигателя 67 Переменные кинематических пар 21 Периферийно-информационные системы 344
Периферийно-операционные системы 345
Пневмоторы 170 Пневмоцилиндры 167
— поворотные 169
Поворотные трансформаторы 300, 301
Полевые транзисторы 102 Потери в двигателе постоянного тока 70
Привод с управлением по положению 64
Призматические соединения 52 — 54
— сочленения 20, 32 Простые сочленения 20 Пусковой движущий момент 82
Рабочая среда 11 Рабочее место 9 Рабочие органы 12 Рамочный робот 230, 231 Распределитель 170
— без запаса перекрытия 186
— золотникового типа 178, 186
— клапанного типа 171
— открытый 188
— с гарантированным перекрытием 187
Расход на деформацию 165
сжимаемость 164
Реакция якоря 58, 59 Регулируемый пневматический демпфер 168
Редуктор с волновой зубчатой передачей 223, 226
Реечная зубчатая передача 230 Режим разносной частоты 110, 114, 131
Режимы работы двигателей 74 — 77 Ременные передачи 236, 238 Робот 9
— для окрасочных работ 233
— MOTOMAN 235
— AKR 3000 247
Роботизированная система сборки 323
Рычажные передачи 242
Самариево-кобальтовые магниты 61 Самокорректировка положения 327 Самокорректирующееся по положению устройство с изменяемой структурой 331 Сборка 322
Сборочный робот PUHA2 207
SKILAM 206
Связи качения 39
— скольжения 39 Сельсины 300
Сервоклапан см. Следящий клапан 191
Сжимаемость 163, 167 Синхронный двигатель с автоматическим управлением 154 — 157 Система автоматического регулирования с двигателем постоянного тока, управляемого по току 276 — 281
— передачи движения кулачкового
типа 209
---------с управлением по току 67
— управления двустороннего дейст-
вия 294
----------- - рабочий режим 296
Следящие клапаны см. Сервоклапаи 173, 175
характеристики 194 — 196
Следящий привод 301
Сложность сочленения 21 Сложные соединения 31 Смешанное управление движением 16
Согласованный привод 274 Степени свободы манипулятора 21, 23
Степень свободы твердого тела 18 Схват 309
— гидравлический 321
— критерии выбора 310
— с губками 319
зубчатой реечной передачей 319
тремя пальцами 321
Схема Дарлингтона 102
Тахогенераторы 90 «Тахометрический» способ 272 Телеманипулятор LEMMA 251, 252 Тепловые постоянные 72 Типы сочленений 19 Турбинные присоски 314 Турбины 170
Турбулентное течение 162
Угол рассогласования 276 Универсальный робот 10 Управление по замкнутому контуру 286
усилию 285, 292 — 294
— с помощью коммутаций 270 — 272
----------следящей системы 276, 287
Уравнение расхода 164
— состояния газа 163 Уравнительный ток 92
Уравновешивание противовесами 340 Уровень избыточности 25 Устройства захвата 308 виды 312
— с несимметричным зажимом 317
симметричным зажимом 316
Устройство с активной самокорректировкой положения за счет упругих связей 328, 333 — 334
пассивной корректировкой положения 330
— с удаленным центром корректировки 329
Ферритовые магниты 61
Хобот ACMA-RENAULT 261
— NITRO-NOBEL-MEC 256
Централизованное управление движением 16 Цепные передачи 236, 240, 241 Цикл графа 28 Циклическое число графа 28 Цикломатическое число 258
Численные методы оценки нагревания двигателя 104, 113
Шаговые двигатели гибридные 104, 113
— — линейные 150
-механические характеристики 126
нестабильность при низких
частотах 128
однофазные 150
потери 145
рабочие характеристики 146
--синхронные реактивные 109
— — с постоянным магнитом 117
-схемы питания 112, 132, 133
--------- управления 143
тороидальные 151
Шариирно-рычажные передачи 245
Элементарные гидростатические соединения 48 Электрические приводы 55
— достоинства 336 Электрогидравлические системы автоматического регулирования 283
Эквивалентные схемы для определения режимов нагревания двигателя 70 — 72 Эпициклические передачи 218 Эпициклический редуктор 221
|
